S波段大功率寬帶速調管輸出窗鬼模振蕩的抑制

張志強 羅積潤 張兆傳

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S波段大功率寬帶速調管輸出窗鬼模振蕩的抑制

張志強*羅積潤 張兆傳

(中國科學院電子學研究所 北京 100190) (中國科學院高功率微波源與技術重點實驗室北京 100190)

實驗發現，當盒型輸出窗圓波導與兩端矩形波導的中心軸線出現偏離時，在高頻狀態下，輸出窗存在鬼模振蕩的隱患，引起輸出窗打火，導致窗片炸裂。該文介紹了一種S波段大功率寬帶速調管輸出窗鬼模振蕩抑制的方法。通過模擬仿真分析和實驗研究，調整了輸出窗圓波導段的結構，在對帶內駐波系數影響較小的條件下，成功地消除了鬼模振蕩的隱患，確保即使出現波導輕微不對稱的情況，也不會發生因鬼模振蕩而引起的輸出窗打火現象。

速調管；輸出窗；鬼模振蕩；抑制

1 引言

圓柱盒型輸出窗中是否有鬼模存在與實際裝配過程緊密相關。文獻[6]介紹了圓柱盒型輸出窗因其結構包含不同幾何形狀金屬所構成的復雜邊界，一旦裝配過程中出現不對稱情況，就會引起除基模TE11之外的其它共生模式，引起鬼模振蕩的情況。文獻[7,8]也介紹了由于復雜邊界條件來回發生變化，在窗結構內激發起高次干擾模式的情況。這些研究工作均對鬼模產生的機理進行了充分詳細的分析，但要在實際工程實踐中避免出現鬼模振蕩，還要研究以下兩方面工作：一是如何在模擬仿真過程中發現鬼模；二是如何確保在實際裝配過程即使出現輕微不對稱時也不會出現鬼模振蕩。為了研究這兩方面的工作，本文在輸出窗模擬仿真過程中故意引入了不對稱性，全面分析了不同不對稱條件下，鬼模場的變化情況和對輸出窗的影響，從而指導實踐，在實踐中找到了即使出現輕微不對稱也能避免高次模式振蕩的方法。

2 輸出窗鬼模振蕩的現象和分析計算

2.1 鬼模振蕩的現象

本文介紹的鬼模振蕩現象發生在一種S波段大功率寬帶速調管的高頻測試過程中[9,10]。在實驗過程中發現，當工作頻率處在頻帶內第14個頻率點f14時(每隔10 MHz為一個頻率監測點，全頻帶共31個頻率點)，從輸出波導處傳來清脆的打火聲音，從間斷到連續，隨后是一聲炸響，鈦泵電流瞬間增大，電源調制器自動切斷高壓，速調管燈絲伏安特性異常，打開波導觀察發現，在輸出窗片上有一條從上到下的裂縫，輸出窗已經炸裂。圖1所示為典型大功率輸出窗結構。

2.2 鬼模振蕩的分析和計算

對于傳輸高功率微波的輸出窗而言，關鍵問題是它的熱承受能力。傳輸波通過介質窗片時引起的高頻電極化損耗、鬼模振蕩、高能電子或粒子轟擊和二次電子倍增效應、焊接縫和焊料損耗以及工藝上造成的種種不匹配等是熱的主要來源[11,12]。

鬼模振蕩引起的輸出窗的損壞是鬼模場在傳輸波中獲取能量后在介質和金屬內壁上產生熱的堆積而形成。當輸出窗的結構精確對稱時，不會形成鬼模振蕩，因為矩形TE10模傳輸波沒有平行于向的電場分量，但由于難以避免的公差，實際加工出來的微波窗不可能有精確的對稱結構，于是鬼模就有可能從傳輸波中獲得能量，形成振蕩。另外，窗的直徑起著致關重要的作用。如果窗的直徑太小，對傳輸高功率不利，而且隨著直徑的減小介質窗片也將變薄以保證良好的傳輸特性，這樣不僅會給制作工藝帶來困難，容易導致窗片電擊穿，同時容易因機械振動而斷裂；但如果窗的直徑過大，則高次模式容易變為可傳輸[13]。

利用Ansoft HFSS電磁計算軟件對上述炸裂的輸出窗進行了計算(計算模型如圖2所示，參數如表1所示)。輸出波導與圓波導的位置關系如圖3所示。在輸出波導與圓波導連接精確對稱時(=0)，輸出窗內并未發現鬼模的跡象。圖4所示為精確對稱條件下的輸出窗駐波系數(VSWR)和表面電場，從圖中可以看出全頻帶內駐波系數均在1.03以下；在陶瓷介質表面均為平行于表面的電場，且對稱分布于窗片中心的左右兩側，兩側電場強度隨離中心的距離逐漸減弱，這種電場分布類似于圓波導中的TE11模，是工作模式。因此在精確對稱的條件下，在輸出窗的圓波導內靠近窗片處只單純存在TE11模，而無其它高次模式存在。

圖1 典型大功率輸出窗結構

表1 Ansoft HFSS計算輸出窗所需參數

圖 2 Ansoft HFSS計算仿真輸出窗模型

圖 3 輸出波導與圓波導的位置關系

圖4 精確對稱條件下的輸出窗駐波系數和表面電場

但在實際操作中，絕對的精確對稱是不可能的，經過對兩邊波導不是絕對精確對稱的情況的模擬仿真發現，當一邊波導延的正方向錯位0.1 mm (=0.1 mm)時，雖然駐波系數(圖5(a))沒有太大變化，但從輸出窗表面電場分布(圖5(b))可以看出，陶瓷介質表面不再只有平行于表面的電場，而是產生了垂直于表面的電場分量，這種縱向電場分布與圓波導中TM11模相似，是高次模式，此時在輸出窗內同時存在TE11模和TM11模，高次模的最大電場強度為4354.3 V/m，這種不對稱就產生了可能引起窗內振蕩的TM11模，即為導致窗炸裂的鬼模。

如果繼續擴大波導的不對稱性，當一邊波導延的正方向錯位0.2 mm(=0.2 mm)時，就會發現，此時無論是駐波系數還是陶瓷介質的表面電場都產生了較大的變化。由圖6(a)可以看到，在頻率為2.882 GHz(f14+2 MHz)處，駐波系數產生了異常，最大駐波系數達到了1.3669，明顯高于帶內其它頻率點，此時，帶內其它頻率點的駐波系數均在1.05以下。再看圖6(b)，陶瓷介質表面的電場幾乎完全垂直于介質表面，最大電場強度為12021 V/m，這樣的不對稱性造成的鬼模更明顯，更容易在實驗中產生打火的現象。

依此類推，繼續擴大波導的不對稱性，則產生了更強的垂直于介質表面的電場，TM11模的強度繼續加強。將精確對稱和不同程度的不對稱列表對比(表2)，可以得出，當精確對稱時，輸出窗內只存在TE11模式，電場方向平行于介質表面，駐波系數無異常；當波導出現較細微的不對稱性時，輸出窗內同時存在TE11模式和TM11模式，電場出現垂直于介質表面方向的分量，某個頻率點的駐波系數出現異常；隨著不對稱性的逐漸擴大，TM11模式逐漸占據主導地位，其電場強度逐漸增強，出現異常頻率點的駐波系數繼續增加。

由于TM11模式對于矩形波導是截止的，其諧振頻率取決于輸出窗圓波導和窗片尺寸。可以通過改變圓波導和窗片尺寸將該模式的諧振頻率移出工作頻帶。針對上述模擬仿真分析結果，考慮到輸出窗的圓波導直徑可以影響高次模式存在，因此我們嘗試改變窗的直徑，在確保帶內駐波系數滿足需求的同時，期待通過這樣的改變，即使在實際操作中出現細微的不對稱性，也可以確保出現的高次模式TM11落在頻帶之外或者帶內不出現這樣的高次模式。經過優化仿真，最終決定將盒型窗框兩端加工成“喇叭形”，以達到增加窗框體積的目的(如圖7所示)。具體計算參數見表3。

表2 不同對稱程度情況對比

表3 Ansoft HFSS計算改進型輸出窗參數

圖5 波導錯位0.1 mm時的輸出窗駐波系數和表面電場

圖6 波導錯位0.2 mm時的輸出窗駐波系數和表面電場

圖7 窗框改進前后的計算模型

圖8(a)、圖8(b)、圖9(a)、圖9(b)、圖10(a)及圖10(b)分別為改進型輸出窗在波導精確對稱和各種非對稱條件下計算得到的駐波系數和介質表面電場分布情況。表4為計算的改進型輸出窗不同不對稱程度情況對比。由圖8-圖10和表4可以看出，雖然改進型窗在精確對稱時的帶內駐波系數較改進前有所變差(頻帶最高端駐波系數為1.11)，但改進型窗在不對稱出現的前兩種情況(=0.1 mm和=0.2 mm)均不存在高次模式，因此決定選用此方案作為實際制管的改進方案。

表4 計算的改進型輸出窗不同對稱程度情況對比

圖8 改進型輸出窗精確對稱條件下的駐波系數和表面電場

圖9 改進型輸出窗波導錯位0.1 mm時的駐波系數和表面電場

圖10 改進型輸出窗波導錯位0.2 mm時的駐波系數和表面電場

表5 改進前1#窗駐波系數測試結果

表6 改進前2#窗駐波系數測試結果

3 實驗及結果分析

本文對兩個改進前的輸出窗進行掃頻測試發現，每個輸出窗的掃頻波形在頻率f14± 5 MHz范圍內的某一頻率點都存在較大的尖峰。在測量線上以1 MHz為間隔逐點進行測試，發現每只窗在f14±5 MHz范圍內都有一個頻率點的駐波系數較大，超出了我們所要求的駐波系數小于1.1的范圍。以下是所測得的兩個窗的駐波系數(表5和表6)。

對窗的結構尺寸進行適當調整，由原來的筒形結構(圖11)調整為現在的中間為筒形，兩端為“喇叭口”的錐筒形(圖12)，在對頻帶內駐波系數影響較小的情況下，提高了因波導不對稱性而導致鬼模產生的門限，在不對稱性<0.2 mm的情況下，也不會產生高次模式振蕩，解決了輸出窗的打火問題和窗炸裂的問題。表7為改進后的新窗測試的結果。

圖11 改進前的窗結構圖

圖12 改進后的窗結構圖

4 結束語

本文描述了在速調管研制[14,15]過程中出現的大功率輸出窗鬼模振蕩的現象，分析了產生打火的原因。利用Ansoft HFSS電磁計算軟件分別計算了兩端波導精確對稱和不同程度偏離條件下，輸出窗圓波導內存在的可能諧振模式、輸出窗的駐波系數以及輸出窗陶瓷介質表面電場分布情況。仿真分析發現，當該輸出窗兩邊波導精確對稱時，輸出窗圓波導內不產生電場垂直于陶瓷介質的TM11高次模式，窗的駐波系數也不會發生變化。當該輸出窗兩邊波導不精確對稱時，輸出窗圓波導內會產生電場垂直于陶瓷介質的TM11高次模式，不對稱程度不同，電場強度也不同。依據分析結果判定該輸出窗的打火問題是由于輸出窗裝配過程中發生了波導的不對稱造成的。通過進一步仿真分析表明，如果改變輸出窗圓波導結構，將筒形圓波導改為中間圓筒兩端喇叭型，可以在不影響駐波系數的條件下，將TM11高次模式移出頻帶，確保即使發生了輕微不對稱也不會產生打火現象。依據仿真優化的結果加工了冷測模型，通過測試驗證了上述仿真和分析的正確性。在新結構窗的速調管測試中，頻帶內再未出現打火和輸出窗炸裂的現象。另外需要說明的是，改進后的窗在全頻段內駐波比相對改進前要大一些，但這仍在我們要求的范圍之內，并不影響速調管的輸出特性。

表7 改進后的新窗測試的結果

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Suppression of Ghost Mode Oscillation in S Band High Power Broadband Klystron

ZHANG Zhiqiang LUO Jirun ZHANG Zhaochuan

(,,100190,) (,,100190,)

It is found by the experiment that the ghost mode oscillation appears in an output window when the centric axes of two section rectangular waveguides and a cylindrical waveguide in the middle are not on the same line. The ghost mode oscillation may result in sparkling and even cracking of the window. In this paper, a method for suppressing the ghost mode oscillation in S band broadband klystron is discussed through the simulation, analysis and experiment for improving the configuration of the cylindrical waveguide in the output window with little effect on the voltage standing wave coefficient in the operating frequency band.

Klystron; Output window; Ghost mode oscillation; Suppression

TN122

A

1009-5896(2017)03-0731-06

10.11999/JEIT160482

2016-05-10；改回日期：2016-09-14；

2016-11-17

張志強 zqzhang@mail.ie.ac.cn

張志強： 男，1975年生，正高級工程師，研究方向為物理電子學.

羅積潤： 男，1957年生，研究員，研究方向為物理電子學.

張兆傳： 男，1965年生，研究員，研究方向為物理電子學.